Podczas łączenia stali z aluminium reakcja pomiędzy atomami Fe i Al podczas procesu łączenia tworzy kruche związki międzymetaliczne (IMC). Obecność tych IMC ogranicza wytrzymałość mechaniczną połączenia, dlatego należy kontrolować ilość tych związków. Powodem powstawania IMC jest słaba rozpuszczalność Fe w Al. Jeśli przekroczy określoną wartość, może to wpłynąć na właściwości mechaniczne spoiny. IMC mają unikalne właściwości, takie jak twardość, ograniczona ciągliwość i wytrzymałość oraz cechy morfologiczne. Badania wykazały, że w porównaniu do innych IMC, warstwa IMC Fe2Al5 jest powszechnie uważana za najbardziej kruchą (11,8± 1,8 GPa) faza IMC, a także jest główną przyczyną pogorszenia właściwości mechanicznych na skutek uszkodzeń spawalniczych. W artykule zbadano proces zdalnego spawania laserowego stali IF i aluminium 1050 przy użyciu regulowanego lasera pierścieniowego oraz szczegółowo zbadano wpływ kształtu wiązki laserowej na powstawanie związków międzymetalicznych i właściwości mechaniczne. Dostosowując stosunek mocy rdzenia do pierścienia, stwierdzono, że w trybie przewodzenia stosunek mocy rdzenia do pierścienia wynoszący 0,2 pozwala uzyskać lepszą powierzchnię łączenia spoiny i znacznie zmniejszyć grubość Fe2Al5 IMC, poprawiając w ten sposób wytrzymałość złącza na ścinanie .
W artykule przedstawiono wpływ regulowanego lasera pierścieniowego na powstawanie związków międzymetalicznych oraz właściwości mechaniczne podczas zdalnego spawania laserowego stali IF i aluminium 1050. Wyniki badań wskazują, że w trybie przewodzenia stosunek mocy rdzenia do pierścienia wynoszący 0,2 zapewnia większą powierzchnię styku spoiny, co znajduje odzwierciedlenie w maksymalnej wytrzymałości na ścinanie wynoszącej 97,6 N/mm2 (wydajność złącza 71%). Dodatkowo w porównaniu do wiązek Gaussa o współczynniku mocy większym niż 1, powoduje to znaczne zmniejszenie grubości związku międzymetalicznego Fe2Al5 (IMC) o 62% i całkowitej grubości IMC o 40%. W trybie perforacyjnym zaobserwowano pęknięcia i mniejszą wytrzymałość na ścinanie w porównaniu do trybu przewodzenia. Warto zauważyć, że znaczne rozdrobnienie ziaren zaobserwowano w spoinie, gdy stosunek mocy rdzeń/pierścień wynosił 0,5.
Gdy r=0, generowana jest tylko moc pętli, natomiast gdy r=1, generowana jest tylko moc rdzenia.
Schematyczny diagram stosunku mocy r między wiązką Gaussa a wiązką pierścieniową
(a) urządzenie spawalnicze; (b) głębokość i szerokość profilu spoiny; (c) Schematyczny diagram wyświetlania ustawień próbek i urządzeń
Test MC: Tylko w przypadku wiązki Gaussa spoina początkowo znajduje się w trybie płytkiego przewodzenia (ID 1 i 2), a następnie przechodzi w tryb częściowo penetrującego otworu zamkowego (ID 3-5) z widocznymi pęknięciami. Gdy moc pierścienia wzrosła od 0 do 1000 W, nie było wyraźnych pęknięć przy ID 7, a głębokość wzbogacenia w żelazo była stosunkowo niewielka. Gdy moc pierścienia wzrasta do 2000 i 2500 W (ID 9 i 10), głębokość strefy bogatej w żelazo wzrasta. Nadmierne pękanie przy mocy pierścienia 2500 W (ID 10).
Test MR: Gdy moc rdzenia wynosi od 500 do 1000 W (ID 11 i 12), spoina znajduje się w trybie przewodzenia; Porównując ID 12 i ID 7, chociaż całkowita moc (6000 W) jest taka sama, ID 7 implementuje tryb otworu blokującego. Wynika to ze znacznego spadku gęstości mocy przy ID 12 ze względu na dominującą charakterystykę pętli (r=0,2). Gdy całkowita moc osiągnie 7500 W (ID 15), można osiągnąć tryb pełnej penetracji, a w porównaniu do 6000 W zastosowanych w ID 7, moc w trybie pełnej penetracji jest znacznie zwiększona.
Test układu scalonego: tryb przewodzony (ID 16 i 17) został osiągnięty przy mocy rdzenia 1500 W oraz mocy pierścienia 3000 W i 3500 W. Gdy moc rdzenia wynosi 3000 W, a moc pierścienia mieści się w przedziale od 1500 W do 2500 W (ID 19-20), na styku bogatego żelaza i bogatego aluminium pojawiają się wyraźne pęknięcia, tworząc lokalnie penetrujący wzór małych otworów. Gdy moc pierścienia wynosi 3000 i 3500 W (ID 21 i 22), uzyskaj tryb dziurki od klucza z pełną penetracją.
Reprezentatywne obrazy przekrojowe każdej identyfikacji spoin pod mikroskopem optycznym
Rysunek 4. (a) Zależność pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie (UTS) a współczynnikiem mocy w testach spawania; (b) Całkowita moc wszystkich testów spawania
Rysunek 5. (a) Zależność pomiędzy współczynnikiem kształtu a UTS; (b) Zależność pomiędzy zasięgiem i głębokością penetracji a UTS; (c) Gęstość mocy dla wszystkich testów spawania
Rysunek 6. (ac) Mapa konturowa wcięcia mikrotwardości Vickersa; (df) Odpowiednie widma chemiczne SEM-EDS dla reprezentatywnego spawania w trybie przewodzenia; (g) Schematyczny diagram styku stali i aluminium; (h) Fe2Al5 i całkowita grubość IMC spoin przewodzących
Rysunek 7. (ac) Mapa konturowa wcięcia mikrotwardości Vickersa; (df) Odpowiednie widmo chemiczne SEM-EDS dla reprezentatywnego spawania metodą perforacji lokalnej
Rysunek 8. (ac) Mapa konturów wcięcia mikrotwardości Vickersa; (df) Odpowiednie widmo chemiczne SEM-EDS dla reprezentatywnego spawania w trybie perforacji z pełną penetracją
Rysunek 9. Wykres EBSD przedstawia wielkość ziaren obszaru bogatego w żelazo (górna płyta) w teście trybu perforacji z pełną penetracją i określa ilościowo rozkład wielkości ziaren
Rysunek 10. Widma SEM-EDS granicy faz pomiędzy bogatym żelazem i bogatym aluminium
W badaniu zbadano wpływ lasera ARM na powstawanie, mikrostrukturę i właściwości mechaniczne IMC w złączach zakładkowych różnych stali IF ze stopu aluminium 1050. W badaniach uwzględniono trzy tryby spawania (tryb przewodzenia, tryb penetracji lokalnej i tryb pełnej penetracji) oraz trzy wybrane kształty wiązki lasera (wiązka Gaussa, wiązka pierścieniowa i wiązka pierścieniowa Gaussa). Wyniki badań wskazują, że dobór odpowiedniego stosunku mocy wiązki Gaussa do wiązki pierścieniowej jest kluczowym parametrem pozwalającym kontrolować powstawanie i mikrostrukturę wewnętrznego węgla modalnego, maksymalizując w ten sposób właściwości mechaniczne spoiny. W trybie przewodzenia najlepszą wytrzymałość zgrzewania zapewnia wiązka kołowa o współczynniku mocy 0,2 (wydajność złącza 71%). W trybie perforacji wiązka Gaussa zapewnia większą głębokość spawania i wyższy współczynnik kształtu, ale intensywność spawania jest znacznie zmniejszona. Istotny wpływ na rozdrobnienie bocznych ziaren stali w spoinie ma belka pierścieniowa o współczynniku mocy 0,5. Wynika to z niższej temperatury szczytowej belki pierścieniowej, prowadzącej do szybszego chłodzenia, oraz efektu ograniczenia wzrostu w wyniku migracji substancji rozpuszczonej Al w kierunku górnej części szwu spawalniczego na strukturę ziarna. Istnieje silna korelacja pomiędzy mikrotwardością Vickersa a przewidywaną zawartością procentową fazy w programie Thermo Calc. Im większy procent objętościowy Fe4Al13, tym wyższa mikrotwardość.
Czas publikacji: 25 stycznia 2024 r
